傳感器新型適配電路在變壓器在線狀態評價中應用研究

文婷

(廣東電網公司管理科學研究院，廣州 510600)

1 引言

電力設備在線監測是提高電力系統運行安全性和可靠性的有效措施之一[1，2]，絕緣油中氣體在線監測則是目前應用最廣泛、最有效的監測手段[3]，一般通過實時監測絕緣油中甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、乙炔(C2H2)、乙烯(C2H4)、一氧化碳(CO)、氫氣(H2)等六種氣體濃度的時間變化，結合變壓器試驗結果即可確定潛在危險以及故障類型。該方法的氣體檢測器主要有:熱導檢測器、離子檢測器、電化學傳感器、半導體傳感器、光敏傳感器[3，4]。

熱導檢測器對工藝的要求相當高;離子檢測器在現場應用時安全性很難得到保證;電化學傳感器的壽命過短，而且對于甲烷反應差;由于半導體傳感器成本低、壽命長[4－6]，國內主要采用該技術。

半導體傳感器的一大缺點是:穩定性較差，漂移嚴重。就目前的技術而言，尚不可能使使半導體傳感器不存在漂移或者響應特性恒定不變，對很多類型的傳感器而言，溫漂始終是個大問題[7]。為了提高半導體傳感器的穩定性，國內外專家通過多種方法:

①恒定傳感器的工作問題;②在半導體材料中加催化劑，改善制造工藝;③采用在線定標的方法進行修正。從目前的效果來看，溫度漂移、時間偏移等問題仍舊是大家高度關注的問題。為此，本文擬引入副傳感器，優化傳感器的適配電路，提高對極低濃度氣體的檢測精度和穩定性。

2 傳感器適配電路優化

常用傳感器的適配電路如圖1所示。

其輸出電壓為:

圖1 氣敏傳感器工作原理

傳感器結構內部加熱回路和測量回路在同一結構件內，無隔熱措施，勢必會影響傳感器的性能，導致傳感器有很大的溫度漂移，一般會從電子電路設計和軟件角度進行溫度引起的誤差補償[5，6];同時也可能由傳感器動態響應特性不理想引起計算波形面積時引起的誤差，針對傳感器動態、暫態響應，文獻[4]分別建立了數學模型，通過仿真驗證了其正確性。雖然近些年來，關于氣敏傳感器的非線性補償，由氣體濃度與氣敏電阻的數學關系出發，設計電子電路以實現溫度補償的研究成果很多，但是應用在工程項目產品之中的很少。其基本思想是:用一個同型號的副傳感器組成橋式取樣電路來抵消處在同種工況下主傳感器的測試誤差，并改變傳統適配電路的非線性數學關系。本文設計兩路溫度、速度相同的氣體分別通過主傳感器和副傳感器，通過主傳感器的氣體為經過色譜柱分離后的氣體，而通過副傳感器的氣體為標準的載氣。經主、副傳感器組成的橋式分壓電路可有效補償傳感器的測量誤差，從而提高油色譜的工作性能。開發了新型在線監測系統，系統運行試驗證明，此項監測技術合理可行，可以提高傳感器測試精度，保證油色譜數據的準確性和科學性。

3 優化電路的傳感器輸出信號分析

傳感器橋式取樣電路如圖2所示。

圖2 傳感器新型適配電路

當有氣體通過傳感器時，若能夠供給電子，其電阻變化量為為ΔRS負值，傳感器輸出值為:

其中，RS1、RS2分別為傳感器 A、B有 0.3～0.45MPa載氣通過時的電阻值大小，ΔRS為傳感器A有采樣氣體通過時的電阻變化量;VCC為傳感器的工作電壓。

本文VCC=5V;R1=R2=10K。對于同批傳感器，靜態電阻RS相差小，近似認為RS1≈RS2，同時由于

得:

因此，傳感器模擬信號線性輸出，基線電壓為:

同批傳感器的靜態電阻相差小，差異性主要表現在有樣品氣體通過時的動態響應以及恢復后的線性保持度，如式(5)，信號采集電路用一個同型號的傳感器構成橋式電路后，外界溫濕度變化、傳感器響應慣性等因素引起輸出信號的波動均可由同工況中的補償傳感器B抵消，實現誤差補償。在色譜柱未進樣時(基線時間)，VO的值在零附近，如圖3油品測試曲線中基線位置所示，波動只取決于傳感器的工藝制造因素，即兩個傳感器的靜態電阻RS和傳感器有載氣通過時電阻值的差別大小，按照氣敏傳感器的技術參數，此兩項阻值誤差均在0.3%之內，差值很小，所以，當各組分氣體經色譜柱分離進入傳感器A，傳感器的響應時間和恢復時間均縮短，從而提高了分辨能力和靈敏度;一種氣體波峰產生結束與下一種氣體波形出現之前，由于恢復時間的縮短，使得這段時間內輸出信號與基線的一直性保持較好，提高軟件計算波形面積的準確度，有利于氣體濃度的測定。

在實驗室內進行了300次實驗對比傳統結構與優化結構的測試溫漂誤差，結果如圖3所示。

4 應用案例分析

基于該傳感器開發的變壓器油色譜在線監測系統已在現場投運，現場運行圖如圖4所示。

圖3 油品測試曲線

表1 各種氣體的綜合溫漂誤差對比

圖4 油色譜現場試驗安裝示意圖

表2 為在線監測數據與實驗室分析數據的比較。

由表2可知，能有效檢測油中溶解的 H2、CO、CH4、C2H2、C2H4和 C2H6等6 種氣體;測量值穩定，無較大的離散點;測量值(在線)與實驗室測量值(離線)之間誤差小(除乙炔外，其他氣體濃度測量誤差小于5%，氣體濃度較小時，誤差小于5μL/L)。

5 結論

傳感器是變壓器絕緣油中溶解氣體監測的關鍵技術，由于成本較低，壽命較長，半導體氣敏傳感器在我國的變壓器色譜在線監測系統中應用非常廣泛，但其溫漂和時漂問題一直是難以克服的困難之一。本文通過分析，認為:同批傳感器在相同溫度、速度的氣流下，其行為特征相似，基于這一觀點，優化了傳感器適配電路結構，構建了主、副傳感器橋式電路，用副傳感器補償傳統采集電路所具有的非線性誤差，以改善傳感器的響應特性，提高了系統的工作性能。實驗發現:適配電路優化后的傳感器溫漂誤差明顯小于傳統電路。傳感器結構電路已經在色譜中應用，取得了較好的效果。

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